【正文】 通道的分子生物學(xué)研究進(jìn)展 [ 12] [ 13] [14] [15] [ 16] [17] [ 1 8] [19] [21] [22] [23] in the n39。這些研究工作表 明應(yīng)用分 子育種手段 和基因工程技術(shù)完全有可能將鉀離 子通道基因轉(zhuǎn)入到植物中去 ， 使其在轉(zhuǎn)基因后代 中表達(dá) ， 從而達(dá)到改 良植物的營(yíng)養(yǎng)性狀的 目的。這些研究成 果為進(jìn)一步利用生物工程技術(shù)改 良植物的鉀素 營(yíng)養(yǎng)和培育鉀高效利用 型作物新品種奠定 了基 礎(chǔ) 。 Menten 動(dòng)力學(xué)， 并在低 外界 K 濃度(0． 001～0． 2 m rno i／ L)下起作用 ， 又 稱高親和性(h礎(chǔ) af inity)吸收系統(tǒng) ； 系統(tǒng) Ⅱ則在 高的外界 K 濃度 ( 1～10 mm ol／ L)下起作用 ， 又 稱低親和性(1 o w af init y )吸收系統(tǒng)。 C O R K與SKOR 、 PTOR K( Populus Tremula outward fectifying K channe1) 、 SPORK 等共同組成了植物鉀離子通道 家族的一個(gè)亞科( subfam ily)[ 。SKOR 對(duì)于 pH 的 敏感在生理范圍內(nèi)說(shuō) 明， 內(nèi)外 pH 在調(diào)節(jié) K 分 泌到木質(zhì)部時(shí)起作用【 。KCO1能夠向外轉(zhuǎn)運(yùn) K 并且 依賴于胞質(zhì)中的鈣離子(Ca2 )。 3． 2外向整流型鉀離子通道(K out)基因 K out 通道存在于植物的各類細(xì)胞中， 它在 細(xì)胞膜去極化 (depolarization) 的條件下被激活打 開， 此時(shí)跨膜電勢(shì) 比較高， 導(dǎo)致 K 由胞內(nèi)排出到 胞外。 KDC 1 (K channel of Daucus Carota 1) 是從 胡蘿 卜 根 中分離和克隆出來(lái)的， 它屬于植物 內(nèi)向 鉀離子通道的一個(gè)新亞族。 3 ． 1． 4 AtK C 1 組 AtKC1組 基因產(chǎn)物無(wú) ANKY 結(jié)構(gòu) ， 主要 有 A￡ 1和 KDC1兩種。在卵母細(xì)胞 中的表達(dá)表明 它們都是電壓門控的內(nèi)向整流 K 通道l939。 近年來(lái) ， 關(guān)于 AKT2 組 的研究主要集中在 AKT2 與 ZMK 2 上。 1 ( K transporter Populustremula 1) 是 Hedrich 等從白楊中分離得到的 K 通道基因， 主 要表達(dá)在保衛(wèi)細(xì)胞和芽部位。 通過(guò)將 SIRK 的啟動(dòng)子區(qū)與 GUS 報(bào) 告基因整合后在葡萄藤和擬南芥 中的表達(dá) ， 分析 發(fā)現(xiàn) ， SIRK 在葡萄藤保衛(wèi)細(xì)胞中表達(dá)， 在擬南芥 的木質(zhì)部薄壁組織也有表達(dá)。以 KST1 為探針 ， 與馬鈴薯 的綠花 蕾、 展開的花、 葉片、 表皮、 莖節(jié)、 塊莖和根的各部 維普資訊 閔水珠等： 植物鉀離子通道的分子生物學(xué)研究進(jìn)展 位 RNA 進(jìn)行雜交分析 ， 發(fā)現(xiàn) KST1主要在花和葉 部位表達(dá)， 而在莖節(jié)、 塊莖和根中不表達(dá)。J。 KAT1( Arabidopsis inward rectif i er K channel 1)是與 AKT1同時(shí)從擬南芥 cDNA 文庫(kù)中篩選 出 來(lái)的植物 K 通道基 因【 1 3J。它與 擬南芥的 AKT1有 82％ 的同源性 ， 與 LKT1則有 85％。 OsAKT1 的表 達(dá)具 有 明顯地 細(xì)胞 特異 性 ( cell— specif i city) ， 比如在根組織中， 其在表皮和內(nèi)皮層 細(xì)胞中強(qiáng)烈表達(dá)， 而在脈管系統(tǒng)和外皮層細(xì)胞 中 表達(dá)量則要低得多【 3 0]。 OsAKT 1來(lái)源于水 稻( Oryza sativa L ． )特化 的 cDNA 庫(kù)， Norther n blot 分析 表 明 OsAKT 1主要 維普資訊 LKT1 編碼 的多 肽中有 97％ 的氨基酸序列與馬鈴薯的 SKT1 一 致 ， 它們?cè)诠δ苌系南嗨菩砸呀?jīng)在一個(gè)電生理學(xué) 實(shí)驗(yàn)中得到了證實(shí)_】 。用 GUS 報(bào)告基因發(fā)現(xiàn)， 除了成熟根 的表層細(xì)胞 以外 ， 在 葉原基細(xì)胞和水孔 中也存 在_8 J。 3 ． 1． 1 AK T 1 組 AKT1組基因主要包括 AKT1， LK T1， ZMK 1， OsAKT 1， DKT1等， 現(xiàn)介紹如下： AKT1(Arabidopsis K Transporter 1) 是第一 個(gè)克隆到的植物 K 通道基因， 采用酵母雙突變 體互 補(bǔ)法從擬南芥 cDNA 文庫(kù) 中篩選 出來(lái)[ 。 3 鉀 離子通道 相關(guān)基 因及其功 能 特征 迄今 ， 已從多種植物或同種植物的不同組織 器官中分離得到多種 K 通道基 因( 圖 3) ， 根據(jù) 對(duì)其結(jié)構(gòu)功能和 DNA 序列的分析 ， 可以把它們 分為 5 個(gè)大組 ： 工， Ⅱ， Ⅳ組基因?qū)儆趦?nèi)向整流型 通道 ； m組屬于弱內(nèi)向整流型通道(weakly inward rect~ er channels) ； V 組則是外向整流型通道[坨 J。保衛(wèi)細(xì)胞 中氣孔的 開閉與其液泡中的 K 濃度有密切關(guān)系。 2鉀離子通道的作用 有關(guān) K 通道在植物體 內(nèi)的作用研究并不 多。前面第 1 ～3 個(gè)位點(diǎn)處于細(xì)胞外側(cè) ， 由8 個(gè) TVGYG 序列氨 基酸上的羰基氧原子組成 ， 第 4個(gè)位點(diǎn)處于最靠 近細(xì)胞內(nèi)側(cè)的位置 ， 由 4 個(gè)羰基氧原子和 4 個(gè)側(cè) 鏈蘇氨酸上 的羥基氧原子組成_ 4’5 J。 165 I 39。S4跨膜鏈每隔兩個(gè)殘基就有一 個(gè)帶正電荷的精氨酸或賴氨酸 ， 其他位置都是疏 水性殘基 ， 正是這些特殊結(jié)構(gòu)使得 S4 片段在 門 控過(guò)程中起著重要的作用(圖 1)。 span。 浙江農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)第 l7 卷 (2O 05) 的存在。其中 ， K 通道是種類最多 、 家族 最為多樣化的離子通道 ， 根據(jù)其對(duì) 電勢(shì)依賴性及 離子流方向的不同， 可把 K 通道分為兩類 ： ①內(nèi) 向整流型 K 通道(inward rectif i er K channel ； K in) ， ② 外 向整流型 K 通道 (outward rectif i er K channel； K out) 。根據(jù) 門控機(jī)制 ， 離子通道可分為電壓門控 、 配體門控、 壓力激活離子通道。近年來(lái) ， 已從多種植物或同種植物的不同組織器官 中分離到多種鉀離子通道基因， 包括內(nèi)向整流型鉀離子通道基因( 如 OsAKT1， DKT1， Ktrrl ， KIl l ， KZM1， ZMK2 等) 和外向整流型鉀離子通道基因(如 CORK ， PTOR K ， STOR K等) 。文章分別從結(jié)構(gòu)、 功能以及相關(guān)基因等三 方面綜述了關(guān)于植物鉀離子通道的分子生物學(xué)研究進(jìn)展， 并對(duì)應(yīng)用生物工程技術(shù)改良植物的鉀營(yíng)養(yǎng)性狀進(jìn) 行 了討論。二是通道對(duì)離子的選擇性 ， 離子通道對(duì)被轉(zhuǎn)運(yùn)離子的大小與電荷都有高度 的選擇性。 K 是植物細(xì)胞 中含量最 為豐富的陽(yáng)離子 ， 也是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的唯一的一價(jià)陽(yáng)離子 ， 它在植物生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中起著重要的作用 ， 具有 重要的生理功能。后來(lái) ， 人們又陸續(xù)在其它植物及細(xì)胞中 發(fā)現(xiàn)了多種類型的 K 通道。 ning elem ent)組成。 目前從植物體中發(fā)現(xiàn)的 K 通道幾乎全是電 壓門控型的， 如保衛(wèi)細(xì)胞 中的 K 外 向整流通道 等 ， 其結(jié)構(gòu)模型如圖 2 一a 所示。． ,e ／ ~ (cav i ty)。 脫水后(直徑約為 0． 26 nm)恰好可以通過(guò)。K 通道一 個(gè)獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征是孔道 內(nèi)有一個(gè)部位可以膨 脹到 1． 0 nln， 稱為中心腔(cavity) ， 位于選擇性過(guò) 濾器的胞內(nèi)側(cè) ， 細(xì)胞膜的中間。從 目前的結(jié)果來(lái)看 ， 認(rèn)為主要是與 K 吸收 和細(xì)胞中的信號(hào)傳遞 (尤其是保衛(wèi)細(xì)胞 )有關(guān)。質(zhì)膜去 極化激活的 K 外 向整流通 道引起 K 外流 ， 胞 質(zhì)膨壓降低 ， 導(dǎo)致氣孔的關(guān)閉。 下文中我們將分別 闡述各組基 因在近年來(lái) 的研 究進(jìn)展。 cDNA 序列分析表 明， AKT 1長(zhǎng) 2 649 bp， 其 中的 閱讀框?yàn)?2 517 bp， 編碼 838 個(gè)氨基酸殘基組成 的多肽 ， 相對(duì)分子質(zhì)量約為 95 400 Da。近來(lái)研究發(fā)現(xiàn) ， AKT 1通道不僅能促進(jìn)植 物對(duì)土壤中 K 的吸收 ， 還能影響根細(xì)胞的生長(zhǎng) 發(fā)育， 當(dāng)把一 aktl 突變體植株幼苗